Summary
Un protocollo per un design fisso-fisso larghezza utilizzando un vibrometro laser Doppler (LDV), compresa la misurazione della frequenza di sintonizzazione, modifica di tuning capacità e l'evitare malfunzionamenti e attrito statico, è presentato. Grazie alla sua superiore capacità di modalità è dimostrata la superiorità del metodo LDV sopra l'analizzatore di rete.
Abstract
Qui, noi dimostrare i vantaggi del vibrometro di laser Doppler (LDV) sopra le tecniche convenzionali (l'analizzatore di rete), così come le tecniche per creare un filtro di basato sull'applicazione microelectromechanical systems (MEMS) e come usarlo in modo efficiente ( cioè, la capacità di messa a punto di ottimizzazione ed evitando sia guasto e attrito statico). LDV consente misurazioni cruciali che sono impossibili con l'analizzatore di rete, ad esempio superiore modalità rilevamento (applicazione di biosensore altamente sensibile) e la misurazione di risonanza per dispositivi molto piccoli (prototipazione rapida). Di conseguenza, LDV è stato utilizzato per caratterizzare la gamma di sintonizzazione di frequenza e la frequenza di risonanza alle diverse modalità dei filtri MEMS costruiti per questo studio. Questo meccanismo di regolazione frequenza ampia gamma si basa semplicemente sul riscaldamento dal riscaldatori incorporati e stress termico relativamente alto rispetto alla temperatura di un fascio fisso-fisso di Joule. Tuttavia, dimostriamo che un'altra limitazione di questo metodo è la sollecitazione termica alta risultante, che può bruciare i dispositivi. Ulteriore miglioramento è stato realizzato e mostrato per la prima volta in questo studio, in modo tale che la capacità di ottimizzazione è stata aumentata del 32% tramite un aumento nella tensione bias DC applicata (25 V a 35 V) tra i due fasci adiacenti. Questa individuazione importante Elimina la necessità per il Joule extra riscaldamento presso la più ampia gamma di sintonizzazione di frequenza. Un altro possibile guasto è attraverso attrito statico e l'esigenza di ottimizzazione della struttura: proponiamo una tecnica semplice e facile di applicazione di segnale onda quadra di bassa frequenza che può separare correttamente le travi ed elimina la necessità per i più metodi sofisticati e complicati, dati nella letteratura. I risultati di cui sopra richiedono una metodologia di progettazione, e quindi forniamo anche un design basato sull'applicazione.
Introduction
C'è una crescente domanda per i filtri di MEMS a causa della loro elevata affidabilità, basso consumo energetico, design compatto, fattore di alta qualità e basso costo. Sono ampiamente usati come sensori e come parti fondamentali nella comunicazione senza fili. Temperatura sensori1, bio-sensori2,3, sensori di gas4, filtri5,6,7e oscillatori sono i campi di applicazione più popolari. I più popolari filtri elettrostatici di MEMS sono fascio fisso-fisso5,8, a sbalzo2, diapason6, free fascio6,7, flessione-disco progettazione7, e forma quadrata design9.
Ci sono molti passaggi critici nella realizzazione di un filtro di MEMS, come metodologia di progettazione (struttura basata sull'applicazione di ottimizzazione, vasta gamma frequenza gamma di sintonia ed evitare gli errori) e caratterizzazione (prototipazione rapida, evitando parassita capacità e modalità di rilevazione superiore). Capacità di regolazione della frequenza è necessaria per compensare eventuali cambiamenti di frequenza a causa di tolleranze di fabbricazione, o variazioni della temperatura ambiente. Diverse tecniche10,11,12 sono stati segnalati nella letteratura per soddisfare questa esigenza; Tuttavia, essi hanno alcuni svantaggi, come frequenza limitata tuning capacità, frequenza centrale basso, ulteriori post-elaborazione requisiti e riscaldamento esterno10,11.
In questo studio presentiamo ampia gamma sintonizzazione della frequenza di Joule riscaldamento metodo5,13 sopra una frequenza limitata gamma tramite un modulo elastico di sintonia cambiare12 (aumentando la tensione di polarizzazione di DC tra due fasci adiacenti) e un materiale fase transizione metodo10,11. Inoltre, la selezione la struttura ottimale e la progettazione basata su applicazione sono stati ricapitolati in Göktaş e Zani13. Qui, vi mostriamo come ottimizzare la frequenza di risonanza di un fascio fisso-fisso aumentando la tensione applicata al riscaldatore incorporato con l'aiuto della LDV. La simulazione di elementi finiti (FEM) analisi è sincronizzata con la misura di LDV nello stesso frame per visualizzare il meccanismo di messa a punto. Questo include il Joule riscaldamento e profilo in tutto il raggio di piegatura.
Siamo presenti anche i possibili errori (dispositivi bruciati e attrito statico) e le loro soluzioni proposte. Il metodo in combinazione con l'elevato stress termico del fascio fisso-fisso di riscaldamento di Joule offre vasta gamma di frequenza di sintonizzazione ma allo stesso tempo può provocare bruciati dispositivi ad un certo livello di temperatura. Ciò è attribuita allo stress termico alto tra diversi materiali14. La soluzione consiste nell'aumentare la tensione tra i due fasci adiacenti, che a sua volta aumenta la gamma di sintonizzazione (32%) ed elimina la necessità per alta temperatura. Questo metodo di "ottimizzazione della gamma di accordatura" era prima dimostrato in Göktaş e Zanon5, spiegato più dettagliatamente in Göktaş e Zani13e ri-presentato qui. Attrito statico, d'altra parte, può avvenire durante l'operazione di processo o risonanza di fabbricazione. Ci sono state molte tecniche proposte per affrontare questo problema come l'applicazione di rivestimento superficiale per ridurre adesione energia15,16, crescente rugosità superficiale17e il processo di riparazione laser18. Al contrario, vi presentiamo una tecnica semplice, dove è stato applicato un segnale onda quadra di bassa frequenza tra due travi allegate e la separazione è stata correttamente registrata da LDV. Questo metodo può eliminare extra costo e ridurre la complessità di progettazione.
Un altro passo fondamentale nella costruzione di un filtro di MEMS all'avanguardia è la caratterizzazione e la verifica. Caratterizzazione con un analizzatore di rete è uno dei metodi più popolari e ampiamente utilizzati; Tuttavia, presenta alcuni svantaggi. Anche le piccole capacità parassita può uccidere il segnale e così questo di solito richiede un amplificatore circuito3,6,8 per eliminazione del rumore, e solo può rilevare prima risonanza di modalità. D'altra parte, caratterizzazione con LDV è esente da questo problema di capacità parassita e può rilevare molto cilindrata più piccola. In questo modo la prototipazione rapida, pur eliminando la necessità per il progetto di un amplificatore. LDV è inoltre in grado di rilevare maggiore risonanza di modalità di filtri di MEMS. Questa caratteristica è molto promettente, soprattutto nel campo dei biosensori altamente sensibili. Una modalità a sbalzo superiore in grado di fornire molto più sensibilità19. La misurazione modalità superiore di una trave fisso-fisso con LDV è dimostrata e applicata a misura di simulazione FEM. I risultati prematuri dalla simulazione FEM offrono fino a 46 volte miglioramento nella sensibilità rispetto alla modalità prima del fascio fisso-fisso.
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Protocol
1. selezione e progettazione di una struttura ottima
- Selezionare il fascio fisso-fisso per vasta gamma di frequenza di sintonizzazione (rispetto ad altri candidati, consente ampia gamma ottimizzazione quando è riscaldata a causa del suo coefficiente di temperatura della frequenza (TCF) e costante di espansione termica trascurabile).
- Progettare un fascio più lungo se lo scopo è tuning miglioramento dell'efficienza. Progettare un fascio più corto se lo scopo è salto di frequenza o applicazioni di rilevamento del segnale.
2. modellazione e fabbricazione in Complementary Metal-oxide Semiconductor (CMOS)
- Progettare e creare il modello 3D per il filtro di MEMS in un programma basato su FEM.
- Ricostruire lo stesso layout in uno strumento di progettazione di circuiti integrati (IC), strato dopo strato per creare il file di gds.
- Inviare questo file gds per la fonderia CMOS per la fabbricazione (abbiamo usato la tecnologia CMOS 0.6 µm).
- Continuare con la post-elaborazione una volta completato il processo CMOS (Nota che i chip dovrebbero avere strati di silicio policristallino, alluminio e ossido).
- Condotta a secco CHF3/O2 etch processo tramite un plasma accoppiato induttivamente (ICP) sistema di etch. Etch il SiO2 tra strati di alluminio e formare le travi al rapporto di aspetto di 5.7. Per questo processo, utilizzare i seguenti parametri: CHF3 a 40 sccm, O2 alle 5 sccm, pressione a 0,5 Pa, potere ICP a 500 W e campione a 100 W con il totale di 56 min etch tempo.
- Applicare il XeF2 etch processo nel substrato di silicio per creare una cavità di profondità 9 µm sotto le travi. Per questo processo, utilizzare il XeF2 acquaforte sistema per 3 cicli al 3T, per 60 s/ciclo.
- Caratterizzare i dispositivi con un microscopio elettronico a scansione (SEM) per assicurare che correttamente sono fabbricati. Per questo passaggio, modificare il fascio accelerando la tensione a 2,58 kV e la distanza di lavoro a 9.5 mm.
3. il dispositivo di test
Nota: Test di dispositivi costituiti da molti passi tra cui il riscaldamento test e test di risposta di frequenza di Joule.
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Prova telecamera termica per riscaldatori incorporati
- Posizionare la telecamera termica sopra il chip e testare i riscaldatori incorporati per garantire che riscaldano le travi.
- Collegare l'alimentatore per il package di chip e applicare una tensione DC sui riscaldatori incorporati da 0 V a 5,7 V in piccoli incrementi per aumentare la temperatura in tutto le travi.
- Registrare il profilo di temperatura in tutto il pacchetto di chip tramite una telecamera termica durante il processo di riscaldamento. Salvare i risultati in un programma di calcolo numerico e tracciare il profilo di riscaldamento.
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Il programma di installazione di LDV e test di calibrazione
- Posizionare il laser in cima le 120 µm lunghe travi.
- Collegare il cavo di alimentazione tra le travi lungo due 120 µm da applicare sia 7 V DC e 3 tensione V AC per il funzionamento di risonanza. Collegare una tensione di polarizzazione DC aggiuntiva per i riscaldatori incorporati con un massimo di 5.7 V applicare Joule riscaldamento alle travi durante l'operazione di risonanza.
- Spostare il laser in un punto diverso sulla trave per ottenere una riflessione del laser di basso rumore. Assicurarsi di aumentare l'intensità della barra blu per ridurre il rumore.
- Dividere lo schermo in più visualizzazioni per calibrare e avviare il setup di misura.
- Vai a impostazioni di acquisizione, impostare la modalità di misurazione per FFT, non utilizzare alcun filtro e impostare la larghezza di banda a 2 MHz.
- Modificare la velocità in modo che può sostenere una frequenza massima di 2,5 MHz.
- Utilizzare la forma d'onda periodica chirp.
Nota: Qui, ampiezza sta per tensione alternata e Offset sta per tensione di CC. - Avviare la misura con questa nuova impostazione.
- Aggiornare le impostazioni di acquisizione modificando la tensione DC a 1 V.
- Diminuire la tensione di polarizzazione applicata nella finestra impostazioni di acquisizione quando la Ref1 Mostra l'allarme rosso (questo significa che il segnale è rumoroso).
- Spostare il laser in un punto diverso sulla trave per aumentare ulteriormente il rapporto segnale-rumore. In alcuni casi, ci possono essere macchie male sulla trave che provoca l'allarme rosso sulla barra di vibrazione; in questo caso, continuare a cercare il posto migliore.
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Test 68 µm filtri MEMS lunghi via LDV
- Selezionare il filtro di MEMS lungo 68 µm per il test.
- Applicare 25 V DC e 5 V AC tensione insieme tra le travi lungo adiacente due 68 µm. Qui, la tensione di CC fornisce piegamento e la tensione AC consente il funzionamento di risonanza.
- Applicare una tensione DC supplementare per i riscaldatori incorporati collocati nel fascio lungo 68 µm e aumentare la tensione da 0 V a 5,7 V a piccoli incrementi. Ciò fornirà sintonizzazione della frequenza basato su Joule riscaldamento.
- Osservare e registrare la frequenza di risonanza e la risposta di fase per quanto riguarda la tensione di polarizzazione applicata ad ogni passo e riassumere i risultati in una tabella. Qui, la sintonizzazione della frequenza totale per questo esempio è circa 874 kHz quando il 5,7 V DC tensione è applicata al riscaldatore incorporato.
Nota: Simulazioni (sul lato destro) e misura reale (sul lato a sinistra) sono sincronizzati.
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Più alta misura di modalità
- Premere il pulsante A/D per passare alla finestra delle impostazioni di acquisizione ha dimostrata nella sezione 3.2 e modificare la velocità in modo che può supportare frequenze molto alte.
- Misurare la prima e la seconda modalità con loro fase.
Nota: Lo spostamento di risonanza primaria è in direzione Y per mode-1 ed è nella direzione Z (cioè verso il microscopio) per la modalità 2.
4. evitare di guasto del dispositivo
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Applicazione di segnale a bassa frequenza onda quadra per risolvere attrito statico
- Applicare un segnale ad onda quadra 1 Hz per risolvere il problema di attrito statico che deriva dalla carica elettrostatica tra i due fasci adiacenti.
- Vai alla casella offset e impostare la tensione DC di 1 V, mantenendo la tensione CA a 1 V.
- Vai alla casella frequenza e impostare la frequenza di 1 Hz.
- Attivare e applicare questa nuova impostazione sulle travi.
- Osservare la separazione delle travi.
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Stress termico elevato e masterizzazione
- Utilizzare un campione supplementare per il test di stress termico.
- Aumentare la tensione di polarizzazione applicata sul riscaldatore incorporato di piccoli incrementi per trovare la massima tensione ammissibile prima che il dispositivo non riesce a causa di stress termico elevato.
5. rafforzare la capacità di ottimizzazione
- Applicare una tensione V DC 25 e 5 V AC tensione insieme tra i fasci adiacenti due 68 µm, aumentando la tensione di polarizzazione applicata sul riscaldatore incorporato da 0 V a 5.7 V, per un totale cambiamento di frequenza di 661 kHz.
- Aumentare la tensione di polarizzazione applicata da 25 V a 35 V per aggiungere una molla aggiuntiva rammollimento effetto tra le travi lungo adiacente due 68 µm, mentre applicando una tensione V AC 1 e mantenendo la stessa impostazione della tensione di polarizzazione sui riscaldatori incorporati.
- Registrare il miglioramento del 32% a spostamento di frequenza totale dovrebbe aumentare da 661 kHz kHz 875 provenienti da questa primavera ulteriore effetto di rammollimento.
Nota: Al meglio della nostra conoscenza, cambiando la capacità di ottimizzazione dei risonatori MEMS è stata realizzata per la prima volta in questo lavoro.
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Representative Results
Attrito statico è stato evitato applicando il segnale ad onda quadra a bassa frequenza e questo è stato verificato utilizzando LDV (Figura 1). Possibile guasto a causa di stress termico elevato14 quando si applica tensione DC relativamente più elevati per i riscaldatori incorporati è stata verificata sotto il microscopio (Figura 2). Il programma FEM è stato utilizzato per derivare le modalità superiore per il raggio (Figura 3). Cambiando la capacità di ottimizzazione (aumento del 32%) modificando la tensione di polarizzazione di DC (V da 25 a 35 V) tra i due fasci adiacenti è stata dimostrata per la prima volta in questo lavoro5 con l'aiuto di LDV (Figura 4). La capacità di misurare le risposte tramite la LDV superiore-modalità è stata dimostrata con successo e i risultati sono stati confrontati con la simulazione FEM. 5 modalità dith è stata misurata con la LDV misurando più punti su ogni trave. La forma di modalità misurato perfettamente abbinata con la simulazione FEM (Figura 5). Inoltre, fino a 46 volte in frequenza MAIUSC per quanto riguarda la prima modalità è stata dimostrata la FEM quando una massa di pg 1 era attaccata al filtro MEMS. Questo promettente risultato fornirebbe un biosensore molto più sensibile quando combinato con la modalità più alta capacità di LDV (Figura 6) di lettura.
Figura 1 : Attrito statico tra i filtri di MEMS. Attrito statico ha avuto luogo a T = 55 s, con le travi di essere rilasciato a T = 57 s dopo aver applicato il segnale ad onda quadra a bassa frequenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Burning in tutto i filtri MEMS. (un) 200 µm lungo MEMS filtri prima di applicare l'alta tensione DC ai riscaldatori incorporati (b) 200 µm lungo MEMS filtri dopo aver applicato l'alta tensione DC ai riscaldatori incorporati (c) 240 µm lungo MEMS filtri dopo aver applicato l'alta tensione DC per i riscaldatori incorporati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Forme modali. Fascio a modi superiori (Mode-1 a modalità-9) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Ottimizzazione della capacità di ottimizzazione. Risposta in frequenza in funzione di differenti applicate tensioni di polarizzazione sui riscaldatori incorporati dei 68 µm lungo MEMS filtri (un) quando Vdc = 25 V e Vac = 5 V e (b) quando Vdc = 35 V e Vac = 1 V. per favore clicca qui per visualizzare la versione ingrandita di questo figur e.
Figura 5 : Misurazione modalità high. (a) misurato modalità alta risposta per L = 152 µm lungo MEMS filtri. (b) simulazione FEM i risultati con la stessa forma di modalità. (c) la misura superiore modalità risposte per L = 152 µm lungo MEMS filtri a frequenze diverse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Diverse modalità e loro prestazioni previste. (un) la frequenza normalizzato spostamento rispetto alla prima modalità con 1 massa di pg attaccato al filtro MEMS. (b) confronto tra misurazione e simulazione di Coventor per le più alte risposte modalità di 152 µm lungo MEMS filtrare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Uno dei passaggi critici nella costruzione di filtri di MEMS è quello di progettare il dispositivo sulla base dell'area di applicazione. Il raggio dovrebbe essere più lungo o più sottili per la migliore ottimizzazione efficienza (ppm/mW), ma più breve o più sottile per salto di frequenza o segnale di monitoraggio delle applicazioni. Allo stesso modo, rilevamento segnale chiaro via LDV è critico nel dispositivo di test che è perché è meglio progettare la trave con uno spessore di almeno 3-4 µm. In caso contrario, il segnale sarà rumoroso, anche con un 100 X lente e si prende più punti di test con eliminazione del rumore (incorporato nel software LDV) per ottenere un'individuazione ottimale. A causa della sua grande TCF, la trave fisso-fisso, rispetto ad altri candidati (a sbalzo, diapason e larghezza libera), consente ampia gamma sintonizzazione della frequenza quando è riscaldata. In questo studio abbiamo usato il metodo con strati di silicio policristallino come i riscaldatori incorporati di riscaldamento di Joule.
Come evitare attrito statico:
Attrito statico può avvenire durante l'operazione di risonanza a causa di una carica elettrostatica. Molti metodi differenti sono stati presentati nella letteratura, come progettare la trave con costante di elevata rigidità, ricoprire la superficie con chimica anti-attrito statico e l'applicazione di alta tensione DC in direzione inversa. Al contrario, ai fini della risoluzione dei problemi, vi presentiamo una tecnica alternativa, facile qui. Applicando un segnale onda quadra di bassa frequenza (1 Hz) tensione relativamente alta per un breve periodo (nella figura 1), le travi possono separare gli uni dagli altri e continuare a risuonare. Questa soluzione consente un design a basso costo ed Elimina le soluzioni più complesse come rivestimento anti-attrito statico.
Come evitare l'errore di periferica:
Relativamente ad alta densità di corrente che scorre in tutto le travi fisso-fisso a causa di maggiore applicazione di tensione può causare il guasto del dispositivo (rotto o bruciato dispositivi) (nella figura 2). Questo è principalmente a causa di mancata corrispondenza nelle costanti di espansione termica di vari strati di fisso-fisso larghezza13,14. Per evitare il fallimento, la massima tensione ammissibile per ogni diverso raggio fisso-fisso dovrebbe essere studiata e definita con cura, insieme con la frequenza massima gamma di sintonia. La massima tensione e la potenza assorbita varia da trave a trave e dipende il dispositivo dimensioni13. La massima tensione ammissibile applicata per i riscaldatori incorporati per il 68 µm lungo raggio in quest'opera è tra V 6.3-7 prima di guasto del dispositivo.
Caratterizzazione efficiente:
Una delle sfide più grandi del metodo di analizzatore di rete è quello di eliminare parassite. Lo strumento di progettazione IC è utilizzato per tracciare la frequenza e la risposta di fase del circuito equivalente per i filtri di MEMS lunghi di 120 µm. Il valore di picco-picco S21 drasticamente è diminuito da 6 dB a 0,34 dB anche quando la capacità parassita è aumentato da 1 fF a 20 fF, rendente necessario un design su chip amplificatore posizionato accanto al MEMS filtri6,8.
In contrasto con l'analizzatore di rete, LDV offre molti vantaggi a misura di risonanza delle travi fisso-fisso. Prima di tutto, Elimina la capacità parassita e questo permette la prototipazione rapida e molto più piccolo caratterizzazione di dispositivi (dispositivi ad alta frequenza). Inoltre, la LDV offre maggiore caratterizzazione modalità (Figura 3), mentre l'analizzatore di rete è limitata a caratterizzare la prima modalità solo. Ciò offre molti vantaggi in aree di ricerca diversi quali biosensore applicazioni19.
Come ottimizzare la funzionalità di ottimizzazione:
Al meglio della nostra conoscenza, la capacità di messa a punto di ottimizzazione è stata dimostrata per la prima volta in questo lavoro5. La molla aggiuntiva rammollimento effetto dovuto ad un aumento della tensione di polarizzazione DC applicata tra i due fasci adiacenti fornisce un aumento del 32% nella frequenza totale gamma di sintonia. Aumentando la tensione applicata tra i due fasci adiacenti aggiunge molla aggiuntiva di rammollimento in cima il rammollimento dal riscaldamento di Joule, e questo si traduce in una frequenza più ampia gamma di sintonia. La gamma di sintonizzazione aumenta da 661 kHz a 875 kHz quando la tensione tra i due fasci adiacenti aumenta da 25 V a 35 V (Figura 4). Questa caratteristica è molto richiesto nelle applicazioni quali luppolizzazione di frequenza, ricerca del segnale e riconfigurabile circuiti ricevitore e ricetrasmettitore.
I filtri di MEMS hanno attirato l'attenzione enorme soprattutto per biosensore portatile applicazioni2,3,20. Il FEM è usato per studiare le risposte di modalità superiore. Secondo i primi risultati, la modalità superiore può fornire molto migliore sensibilità (fino a 46 volte miglioramento rispetto alla prima modalità) (Figura 6), una caratteristica altamente preziosa e ricercata nel campo biosensore portatile. Per questo motivo, l'assorbimento della tecnica LDV presentata qui è considerato inevitabile. La risonanza dei dispositivi alle modalità superiore di misurazione richiederà LDV coinvolgimento grazie alla sua capacità di rilevazione della modalità superiore (Figura 5). Questa impressionante capacità di LDV, insieme alla possibilità di una maggiore sensibilità alle modalità superiore, può portare a biosensori d'avanguardia con l'alta sensibilità.
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Disclosures
Non abbiamo nulla di divulgare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato da US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA, sotto Grant W91ZLK-12-P-0447. Le misurazioni di risonanza sono stati condotti con l'aiuto di Michael Stone e Anthony Brock. La misurazione di telecamera termica è stata condotta con l'aiuto di Damon Conover da George Washington University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec | Polytec MSA-500 | |
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | ||
| Thermal Camera | X | ||
| Power Supply | Egilent | (E3631A) | |
| Microscope | X | ||
| Coventor | Coventor | Simulation Tool | |
| Cadence Virtuoso | Cadence | Simulation Tool | |
| Multisim | Multisim | Simulation Tool |
References
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